地下儲氣庫注采壓縮機可靠性維修管理模式

岑 康，涂 昆，熊 濤，楊園園，宋榮軍，馮春燕

（1．西南石油大學土木工程與建筑學院，成都610500；2．中國石油新疆油田公司采氣一廠，新疆 克拉瑪依834014；3．北京博華信智科技股份有限公司，北京100029）

地下儲氣庫注采壓縮機可靠性維修管理模式

岑 康1，涂 昆1，熊 濤2，楊園園3，宋榮軍3，馮春燕3

（1．西南石油大學土木工程與建筑學院，成都610500；2．中國石油新疆油田公司采氣一廠，新疆 克拉瑪依834014；3．北京博華信智科技股份有限公司，北京100029）

傳統(tǒng)的事后維修模式不能合理分配有限的維修資源，難以滿足地下儲氣庫大型注采壓縮機可靠性和安全性要求?；趧釉O備以可靠性為中心的維修管理理念，建立了地下儲氣庫注采壓縮機風險評價方法，開展了以可靠性為中心的維修決策分析，辨識出高中風險故障模式、故障原因與關鍵部件，制定了針對故障原因的維修策略與任務。建立了由程序文件和作業(yè)文件組成的注采壓縮機完整性管理文件，開發(fā)了地下儲氣庫注采壓縮機專業(yè)管理系統(tǒng)，形成了一套地下儲氣庫注采壓縮機以可靠性為中心的維修管理模式。應用實踐表明，該設備管理模式可更合理配置維修資源，保障了地下儲氣庫注采壓縮機的可靠與安全運行。

地下儲氣庫；往復式壓縮機；可靠性；風險評價；維修模式

近年來，隨著國內(nèi)天然氣消費量的高速增長以及季節(jié)調(diào)峰需求量的快速攀升，越來越多的地下儲氣庫建成并投入使用［1］。注采壓縮機作為地下儲氣庫注采氣作業(yè)的核心設備，與常規(guī)往復式壓縮機相比，具有系統(tǒng)機械結構復雜、電控參數(shù)多、功率和排氣量大、壓縮比高、進出口壓力高且波動范圍大、注采工藝切換與啟停機操作頻繁等顯著特點［2-3］。上述特殊性增加了儲氣庫注采壓縮機在生產(chǎn)運行過程中的失效風險。注采壓縮機一旦發(fā)生故障，輕則造成生產(chǎn)停機，延誤正常注采氣作業(yè)，嚴重時更會導致火災、爆炸等惡性事故，造成重大安全、環(huán)境影響。如何提高注采壓縮機的可靠性和安全性，確保地下儲氣庫安全平穩(wěn)生產(chǎn)，是設備管理者面對的重大挑戰(zhàn)。

目前，針對壓縮機等轉(zhuǎn)動設備的維修管理模式已從傳統(tǒng)的事后維修或定期檢維修發(fā)展到當今以可靠性為中心的維修管理（R Cm）階段［4-5］。以可靠性為中心的維修管理模式根據(jù)設備的風險與可靠性狀態(tài)，以最少的維修資源消耗，采用邏輯決斷方法來確定所需的維修類型、維修內(nèi)容、維修間隔期與維修級別，避免出現(xiàn)低風險項過度維修而高風險項維修不足的狀況，從而達到優(yōu)化維修的目的［6-7］。預測維修、狀態(tài)維修是該維修模式的主要特征。然而，國內(nèi)地下儲氣庫注采壓縮機以可靠性為中心的維修管理模式雖已有部分基本概念的普及，但在實際運行管理過程中，多檢測、多保養(yǎng)、多維修與故障后再維修等傳統(tǒng)設備管理思想仍占主流，還沒有建立一套以可靠性為中心的維修管理模式并付諸實施，難以滿足地下儲氣庫大型注采壓縮機可靠性和安全性要求。

本文結合某地下儲氣庫注采壓縮機結構特點與運行現(xiàn)狀，基于動設備以可靠性為中心的維修管理理念，開展以可靠性為中心的維修決策分析，辨識出高中風險故障模式、故障原因與關鍵部件，制定針對故障原因的維修策略與任務，建立注采壓縮機完整性管理文件，并開發(fā)了地下儲氣庫注采壓縮機專業(yè)管理系統(tǒng)，形成一套地下儲氣庫注采壓縮機以可靠性為中心的維修管理模式。對于提高地下儲氣庫注采壓縮機的可靠性和安全性，確保儲氣庫的安全平穩(wěn)運行具有重要現(xiàn)實價值。

1 以可靠性為中心的注采壓縮機維修決策分析

針對地下儲氣庫注采壓縮機開展以可靠性為中心的維修決策分析的主要目的是確定高、中風險部件，并制定有針對性的預防性和預測性維修策略和任務，合理安排有限的檢維修資源，避免維護不足或維修過剩。以可靠性為中心的維修決策分析主要包括組成壓縮機組分析節(jié)點劃分、故障模式與影響分析、風險評價與部件重要度確定、檢維修策略與任務制定等內(nèi)容。

1．1 分析對象概述

某枯竭氣藏型地下儲氣庫生產(chǎn)庫容為45．1× 108m3，自2013年6月投運試注。該儲氣庫共有8臺注采壓縮機，驅(qū)動電機為4 000 k W的SImE N SE 1SB46366JE80-Z型交流電機，本體為 A RIE L K B U-6型臥式對稱平衡雙作用往復壓縮機。注采壓縮機的壓縮級數(shù)可根據(jù)儲氣庫運行工況的不同進行相應工藝流程的切換進行調(diào)整。當為注氣工況時，采用2級壓縮；當為采氣工況時，采用1級壓縮。注采壓縮機主要運行工況參數(shù)如表1。

表1 注采壓縮機主要運行工況參數(shù)

1．2 故障模式與影響分析

根據(jù)該儲氣庫注采壓縮機系統(tǒng)具體結構特點，將每臺機組劃分為動力系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、低壓潤滑系統(tǒng)、高壓潤滑系統(tǒng)、儀表自控系統(tǒng)、進出工藝氣管道系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)等8個子系統(tǒng)，共計36個部件，并確定了各個子系統(tǒng)和部件的功能。對每一部件開展故障模式與影響（FmE A）分析，明確每個部件各種故障模式的發(fā)生頻率及其后果影響，為以可靠性為中心的檢維修決策提供基本信息。其主要步驟和方法為［8］：

1） 在分析注采壓縮機部件結構、運行工況與檢維修歷史數(shù)據(jù)基礎上，結合同行業(yè)同類設備故障研究結果，分析出部件可能發(fā)生的所有故障模式及其故障原因。

2） 根據(jù)歷史維修信息，確定每種故障模式發(fā)生的頻率。如果沒有該型號壓縮機組相應部件的故障頻率統(tǒng)計資料，采用同類部件的故障頻率或?qū)＜医?jīng)驗值。

3） 分別分析故障可能導致的安全后果、環(huán)境后果、生產(chǎn)損失后果和運維成本后果。在分析故障影響時，原則上應當考慮“常見的、經(jīng)常發(fā)生的”故障模式和后果，不考慮極端的小概率故障模式及其后果。

基于上述方法和步驟，對該儲氣庫注采壓縮機的8個子系統(tǒng)37個部件開展了詳細的FmE A分析，共梳理出119種故障模式，466項故障原因，并結合歷史檢維修數(shù)據(jù)和同行業(yè)同類設備故障數(shù)據(jù)給出了注采壓縮機每種故障模式的發(fā)生頻率以及安全后果、環(huán)境后果、生產(chǎn)損失后果和運維成本后果。需要說明的是，由于8臺注氣壓縮機型號和運行工況相同，且運行時間相對較短，因此將8臺注采壓縮機相關數(shù)據(jù)綜合在一起進行分析，并以8臺注采壓縮機某一故障模式發(fā)生頻率的平均值作為該故障模式的發(fā)生頻率。

1．3 風險評價

1．3．1 風險評價準則與風險矩陣

風險評價準則由故障頻率評價準則和安全后果評價準則構成［9］。故障頻率評價準則主要根據(jù)該儲氣庫注采壓縮機部件故障頻率統(tǒng)計結果與企業(yè)管理目標制定。由于該型號注采壓縮機多數(shù)部件的設計壽命為8 000 h，且機組三級保養(yǎng)周期為7 800～8 200 h，因此選擇8 000 h作為故障頻率的統(tǒng)計周期。并將故障頻率分為A、B、C、D、E 5個等級，如表2所示。

安全后果評價準則主要根據(jù)G B6441—1986《企業(yè)職工傷亡事故分類標準》以及注采壓縮機發(fā)生故障時可能引起的潛在生命損失制定，分為A、B、C、D、E 5個等級。環(huán)境后果評價準則主要依據(jù)污染物對周邊環(huán)境和社會的影響程度及需要報送部門級別的高低制定，分為A、B、C、D、E 5個等級。生產(chǎn)損失后果評價準則主要依據(jù)注采壓縮機故障所造成的生產(chǎn)損失大小制定，分為A、B、C、D、E 5個等級。維修成本后果評價準則主要依據(jù)注采壓縮機維修時間以及所需備件更換費用制定，分為A、B、C、D、E 5個等級。安全后果、環(huán)境后果、生產(chǎn)損失后果、運維成本后果等級評價準則如表3所示，對應的風險評價矩陣如圖1所示。

需要說明的是，在制定上述5個評價準則時，等級劃分的原則是把60%的數(shù)據(jù)集中在C級，其他4個等級各占10%左右。

表2 故障頻率評價準則

表3 故障后果等級評價準則

1．3．2 故障模式風險評價

注采壓縮機每種故障模式的風險等級由安全、環(huán)境、生產(chǎn)損失和運維成本等四種風險矩陣綜合判定。某一部件每種故障模式對應的風險Rmn，i為：

式中：Rmn，i為m部件第n種故障模式第i種后果對應的風險；Pmn為m部件的故障頻率；Cmn，i為m部件第n種故障模式的第i種后果。

四種后果風險中級別最高的為m部件第n種故障模式的風險等級Rmn：式中：Rmn為m部件第n種故障模式的風險等級；Rmn，s為m部件第n種故障模式的安全風險；Rmn，e為m部件第n種故障模式的環(huán)境風險；Rmn，w為m部件第n種故障模式的生產(chǎn)損失風險；Rmn，o為m部件第n種故障模式的運維成本風險。

根據(jù)表2、表3和圖1確定的風險評價準則和風險評價矩陣，對FmE A分析識別出的注采壓縮機119種故障模式分別進行了風險評價，獲得了各種故障模式的風險等級。注采壓縮機部件故障模式風險等級分布比例如表4所示，部件高風險故障模式

及其主導風險因素如表5所示。其中，主導風險因素是指決定該故障模式風險等級的風險項。

圖1 風險矩陣

表4 注采壓縮機部件故障模式總體風險等級統(tǒng)計

表5 注采壓縮機高風險故障模式

1．3．3 部件重要度確定

確定注采壓縮機部件重要度的主要目的是識別出那些對壓縮機運行起關鍵性作用的關鍵部件，同時篩選出低風險等級的部件，重點針對高風險和中風險部件制定詳細的檢維修策略［10］。

根據(jù)故障模式風險評價結果，部件重要度由該部件所有可能故障模式的最高風險等級決定，即：Tm＝max（Rmn）（3）式中；Tm為m部件的重要度等級。

部件分為關鍵部件、重要部件、一般部件3類。在某個部件的所有故障模式中，若存在一種或多種高風險故障模式，則該部件重要度等級為關鍵部件；若某個部件所有故障模式的風險等級均為低風險，則該部件為一般部件；其余情況則為重要部件。

根據(jù)以上方法，辨識出注采壓縮機37個主要部件的重要度等級，部件重要度等級分布如表6所示。其中，關鍵部件9個，分別為曲軸、活塞桿、填料密封環(huán)、空冷器風機、安全泄壓閥、進口切斷閥、出口切斷閥、旁通閥和放空閥；重要部件13個，分別為預／后潤滑油泵、主油泵、曲軸箱潤滑油油過濾器、氣缸、連桿、注油器、入口洗滌罐、緩沖罐、出口除油器、冷卻水泵、氣閥、電機、柔性盤聯(lián)軸節(jié)。1

表6 注采壓縮機部件重要度分布

1．4 維修策略與任務制定

注采壓縮機以可靠性為中心的維修決策的最終目的是實現(xiàn)檢維修策略與任務的制定，幫助用戶把有限的資源重點集中到關鍵部件、重要部件的檢維修管理上，避免過度維修或維修不足現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)注采壓縮機各部件重要度等級、每一故障模式的風險評價結果與故障技術特征，采用邏輯決斷方法，提出針對故障原因的維修策略與任務，包括預測性維修、預防性維修、故障查找、一次性變更（如重新設計）和事后維修等［11］。維修策略邏輯決策過程如圖2所示。

維修策略邏輯決策分析結果表明，針對注采壓縮機37個部件的119種故障模式，適宜采用預測性維修策略的共計77項，適宜采用預防性維修策略的共計69項，適宜采用故障查找策略的共計21項，適宜采用一次性變更策略的共計3項。以動力系統(tǒng)為例，其故障模式的維修策略如表7所示。

根據(jù)機組技術手冊以及各種關鍵部件、重要部件的失效模式、失效原因以及維修策略，制定了有針對性的檢維修大綱，包括故障特征、維修方法、維修工具、維修質(zhì)量標準、所需備品備件等內(nèi)容。

圖2 維修策略決策框圖

表7 注采壓縮機動力系統(tǒng)故障模式維修策略

表7（續(xù)）

2 以可靠性為中心的注采壓縮機維修管理模式構建

注采壓縮機以可靠性為中心的維修管理模式包括管理與技術兩個層面，即在管理上建立以可靠性為中心的維修管理體系，在技術上以風險評價為核心，采用規(guī)范管理和有針對性的技術措施相結合的方式改善機組運行狀況，有效控制檢維修費用，實現(xiàn)維修資源的更合理配置，減少各種故障和停機損失。

以可靠性為中心的維修管理模式顯著區(qū)別于傳統(tǒng)的事后維修模式，主要體現(xiàn)在［6］：

1） 設備異常狀態(tài)管理，采用預防維修、狀態(tài)維修等主動維修策略，并制定有針對性的預防性和預測性維修計劃。

2） 重點針對設備的高、中風險部件制定有針對性的預防性和預測性維修策略和任務，合理安排有限的檢維修資源，避免維護不足或維修過剩。

3） 設備完整性管理貫穿于設計、制造、安裝、使用、維護和報廢的全過程。

4） 設備完整性管理要求制定標準維修作業(yè)程序，定期審核維修作業(yè)，是一個動態(tài)的、持續(xù)改進的過程。

2．1 完整性管理體系文件建立

為確保注采壓縮機實現(xiàn)以可靠性為中心的維修管理，本研究基于設備完整性管理理念，編制了由程序文件和作業(yè)文件等兩級文件組成的注采壓縮機完整性管理文件，在運營管理和實際操作層面提供全面系統(tǒng)的指導，具體體現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)故障到進行維修，再到故障預測的各個方面，涵蓋注采壓縮機整個管理流程與實際操作，并將之作為該地下儲氣庫完整性管理體系文件的重要組成部分［12］。

注采壓縮機完整性管理文件主要包括4個程序文件和13個作業(yè)文件。其中，程序文件主要由注采壓縮機完整性管理活動計劃程序、完整性評價程序、檢驗維修測試管理程序、完整性管理方案制定程序等組成，規(guī)定了公司內(nèi)部對注采壓縮機完整性管理的具體管理內(nèi)容與要求，以及完整性管理實施過程中各業(yè)務部門工作交叉關系的處理流程和各部門人員管理行為的規(guī)范，實現(xiàn)各項管理活動的正常運轉(zhuǎn)。作業(yè)文件則由注采壓縮機失效故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析作業(yè)規(guī)程、運行狀態(tài)監(jiān)測作業(yè)規(guī)程、注采壓縮機系統(tǒng)巡檢作業(yè)規(guī)程、注氣壓縮機系統(tǒng)操作規(guī)程、維修維護作業(yè)規(guī)程、附屬壓力容器和工藝管道檢驗維修作業(yè)規(guī)程、R Cm分析作業(yè)規(guī)程等組成，描述了具體的工作崗位和工作現(xiàn)場如何完成某項工作任務的具體做法，是程序文件的補充和支持，主要供操作人員使用。

2．2 注采壓縮機專業(yè)管理系統(tǒng)開發(fā)

以可靠性為中心的維修管理模式建立在大量可靠有效的設備設計、制造、運行與檢維修數(shù)據(jù)等全生命周期檔案資料基礎之上，還需提供智能化的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工具和概率統(tǒng)計分析工具，傳統(tǒng)的事后維修管理模式下的數(shù)據(jù)采集、交換、保存與分析處理手段不能滿足這一管理模式的需求，需要借助先進的信息化管理手段［13-14］。

本研究結合該地下儲氣庫注采壓縮機具體特點，采用B／S結構和Oracle10g數(shù)據(jù)庫，利用OPC接口標準、D D E動態(tài)數(shù)據(jù)交換機制等建立開放的數(shù)據(jù)平臺，建立了注采壓縮機以可靠性為中心的維修決策系統(tǒng)，其功能結構如圖3所示。該系統(tǒng)基于可靠性為中心的維修構建，主要由檔案管理、運行管理、檢維修管理、報表管理、績效管理、R Cm分析、故障案例庫等功能模塊組成，采用標準化的數(shù)據(jù)采集、交換與保存格式，將機組基礎技術檔案數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、性能監(jiān)測數(shù)據(jù)、質(zhì)量控制數(shù)據(jù)、檢維修歷史數(shù)據(jù)、設備可靠性和維修性數(shù)據(jù)、效能評價數(shù)據(jù)、部件風險評價數(shù)據(jù)等集成在一起。利用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，根據(jù)設備早期故障特征診斷機組健康狀態(tài)，確定預測性維修任務。利用威布爾分布、蒙特卡洛和馬爾科夫鏈等方法進行機組故障概率的統(tǒng)計分析，確定預防性維修部件的剩余工作壽命與最佳的維修間隔時間?；谠撓到y(tǒng)平臺，各級設備管理人員可及時準確地掌握注采壓縮機的風險狀態(tài)和優(yōu)化的檢維修任務排程，為機組維修與安全管理提供科學可靠的決策支持。

該地下儲氣庫注采壓縮機投運兩年以來的應用實踐表明，以可靠性為中心的維修管理模式可更合理配置維修資源，保障了地下儲氣庫注采壓縮機的可靠與安全運行，并積累了大量故障模式、發(fā)生頻率與后果影響等關鍵數(shù)據(jù)，為機組后續(xù)的動態(tài)風險評價與管理模式的持續(xù)改進奠定了良好基礎。

圖3 注采壓縮機專業(yè)管理系統(tǒng)功能結構

3 結論

1） 根據(jù)地下儲氣庫注采壓縮機結構特點與檢維修歷史數(shù)據(jù)，建立了注采壓縮機風險評價與部件重要度確定方法，辨識出機組高中風險故障模式與部件重要度等級，針對關鍵部件、重要部件制定了針對故障原因的維修策略與維修任務。

2） 基于設備完整性管理理念，編制了由程序文件和作業(yè)文件等兩級文件組成的注采壓縮機完整性管理文件，涵蓋注采壓縮機整個管理流程與實際操作，在運營管理和實際操作層面提供全面系統(tǒng)的指導。

3） 開發(fā)了由檔案管理、運行管理、檢維修管理、報表管理、績效管理、R Cm分析、故障案例庫等功能模塊組成的地下儲氣庫注采壓縮機專業(yè)管理系統(tǒng)，使各級設備管理人員能夠通過網(wǎng)絡及時準確地掌握注采壓縮機的風險狀態(tài)和優(yōu)化的檢維修任務排程，為以可靠性為中心的維修管理模式的順利實施提供了有效載體和可靠工具。

4） 以可靠性為中心的維修管理模式相對于傳統(tǒng)的事后維修管理模式而言，是一種設備管理制度和管理文化的變革和飛躍，需要各級設備管理人員具備較全面系統(tǒng)的可靠性、概率統(tǒng)計分析、狀態(tài)監(jiān)測與預測維修等方面的專業(yè)技能，需要企業(yè)領導人的強力推進，并提供與之相適應的管理文化、管理制度與人員培訓。否則，再好的設備管理方法也很難成功。此外，目前針對地下儲氣庫注采壓縮機形成的以可靠性為中心的維修管理模式并非盡善盡美，還需持續(xù)改進和完善。

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Reliability-centeredmaintenancemode for Rejection and Production Com pressors in Underground Natural Gas Storage

C E N Kang1，T U K un1，XIO N G Tao2，Y A N G Y uanyuan2，S O N G Rongjun2，F(xiàn) E N G Chunyan3
（1．School of Civil Engineering and Architecture，South west PetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2．N o．1Gas Production Plant，Xinjiang Oilfield Com pany，PetroChina，K aramay834014，China；3．Beijing Bohua Xinzhi Technology Com pany，Beijing100029，China）

Traditional break-dow nmaintenancemode，w hich cannot allocate limitedmaintenance resources reasonably，has difficulty inmeeting themaintenance demands on high reliability and safety oflarge rejection and production compressors in underground natural gas storage．Based on the reliability-centeredmaintenance theory，the risk assessmentmethod for rejection and production compressors in underground natural gas storage has been established，and the decision-making analysis based on reliability-centeredmaintenance has also been carried out．T he failuremode and specified failure reasons for parts under different risk levels have been identified，as well as themaintenance strategies and tasks have beenmade．T he integritymanagement system documents and professional informationmanagement？system for rejection and production compressors have been developed and put into service．T he application results show that the equipmentmanagementmode lead tomore rational allocation formaintenance resources as well as guarantee the rel iabil ity and safety of rejection and production compressors in underground natural gas storage．

underground natural gas storage；rejection and production compressors；reliability；risk assessment；maintenancemode

T E972

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．016

2014-10-20

國家安監(jiān)總局科技項目（2012-387）；四川省社科基金項目（SC14E074）；四川省教育廳自然科學面上項目（12ZB161）資助

岑 康（1975-），男，四川犍為人，副教授，博士，主要從事油氣管道與站場完整性評價技術等方面的教學和科研工作，E-mail：cenkangxt＠126．com。